EP3008432A1 - Verfahren zur kalibration oder zum abgleich einer schwingfähigen einheit - Google Patents

Verfahren zur kalibration oder zum abgleich einer schwingfähigen einheit

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EP3008432A1
EP3008432A1 EP14726927.8A EP14726927A EP3008432A1 EP 3008432 A1 EP3008432 A1 EP 3008432A1 EP 14726927 A EP14726927 A EP 14726927A EP 3008432 A1 EP3008432 A1 EP 3008432A1
Authority
EP
European Patent Office
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oscillatable unit
sensor
model
unit
medium
Prior art date
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Ceased
Application number
EP14726927.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Brengartner
Gerd BECHTEL
Sascha D'angelico
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP3008432A1 publication Critical patent/EP3008432A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/005—Testing or calibrating of detectors covered by the subgroups of G01H3/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves
    • G—PHYSICS
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/16—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
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    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N2011/0006—Calibrating, controlling or cleaning viscometers
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/002—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis

Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating or adjusting any oscillatable unit used in process automation.
  • the oscillatable unit interacts at least temporarily with a medium in a container and is used in particular to determine or monitor at least one sensor and / or system-specific parameter.
  • the process-specific parameters provide information about the process conditions that prevail in the process in which the oscillatable unit is arranged.
  • the sensor-specific variables relate to factors influencing the behavior of the sensor
  • the oscillatable element of a vibronic sensor is connected with a membrane in a material and / or non-positive manner and can be configured as a tuning fork of any type or as a single rod.
  • the diaphragm and the oscillatory element connected to the diaphragm, ie the oscillatable unit, are excited to oscillate via a transmitter / receiver unit.
  • the transmitting / receiving unit is usually at least one
  • a vibronic sensor is connected via analogue electronics
  • LIQUIPHANT and SOLIPHANT are offered and distributed in various designs.
  • Vibronic sensors make it possible to detect a process-specific parameter, such as the level of a liquid or a solid in a container.
  • the sensor is operated at the resonant frequency of the oscillatable unit to detect a predetermined level (limit level). By detecting the frequency change at a set phase of usually 90 ° It can be detected whether the oscillating unit is in contact with the medium or whether it oscillates freely.
  • process-specific parameters are, in particular, the density and the viscosity, but also the temperature of the medium.
  • process-specific parameters are, in particular, the density and the viscosity, but also the temperature of the medium.
  • phase difference (often simply referred to as phase) between the
  • Input signal and the output signal set to 45 ° or -135 °.
  • a change in frequency is clearly due to a change in the density of the medium, since influence by the viscosity of the fluid medium can be ruled out.
  • WO 02/031471 A2 a device for measuring viscosity is described. From EP 2 041 529 B1 an apparatus for determining the density of a liquid medium has become known.
  • analogue electronics have the disadvantage of being relatively inflexible.
  • the analog electronics to each sensor or sensor type depending on its vibration characteristics and further depending on the application - so whether the sensor for the
  • DE 10 2012 1 13 045.0 filed on 21.12.2012, the applicant described.
  • the content of DE 10 2012 1 13 045.0 is explicitly attributable to the disclosure content of the present patent application.
  • the portfolio of vibronic sensors is very varied. Examples include the Applicant's products, which are offered and sold under the names LIQUIPHANT and SOLIPHANT. It can be stated that the known as well as the future sensors are relatively strong in terms of their geometry
  • the two forks of the tuning fork are approximated using a mathematical model.
  • the two forks are mathematically approximated as ideal elliptical cylinders.
  • LIQUIPHANT T or LIQUIPHANT M are commonly used e.g. not 100% consistent due to manufacturing tolerances.
  • the invention has for its object to propose a method with which the measurement accuracy of a vibronic sensor or measuring device can be improved.
  • the object is achieved by a method for calibrating or aligning any oscillatable unit with a mathematical model describing the oscillatable unit, wherein the oscillatable unit interacts at least temporarily with a medium located in a container and for determining or
  • the real output signal is digitized and a real output sequence is generated; wherein the real input signal is digitized and a digital input sequence is generated; wherein the digital input sequence is supplied to a functional block which provides the mathematical model of the oscillatory unit defined by at least two sensor-specific magnitudes in interaction with the medium;
  • Output sequence and the real output sequence of the oscillatory unit is within a predetermined tolerance.
  • the total force F F acting on the body by the fluid medium results from the summation of the pressure force F D and the frictional force F R.
  • the direction of the individual forces should be positive:
  • F F m F ⁇ - + d F ⁇ u
  • dt m F is to be interpreted as additionally coupling mass and d F as additional acting damping:
  • G1, G2 are parameters that depend exclusively on the geometry of the oscillatory body.
  • the stiffness of the oscillatory unit is given by c (T), m s is the mass, d s is the damping of the freely oscillating oscillatable unit, D is the Lehrsche
  • Attenuation and ⁇ 0 the natural frequency.
  • the sensor-specific variables, in particular the geometric parameters, can be determined via a parameter estimation method. The following is information for defining the natural frequency and the resonance frequency:
  • the resonance frequency ⁇ ⁇ is always the frequency at which the maximum amplitude occurs.
  • the natural frequency ⁇ ⁇ is the frequency with which an oscillatable unit freely oscillates.
  • the natural frequency is designated by ⁇ 0 .
  • the natural and resonant frequencies also differ from each other in the damped case.
  • the excitation always takes place with the natural frequency of the undamped vibrating unit, in which a phase of 90 ° is established.
  • the natural frequency can be determined with the following formula: In the undamped - as well as in the muted case - wO can be calculated with the above formula. In these cases, one obtains the frequency at which a phase of 90 ° occurs. In the damped case, however, this corresponds neither to the resonance frequency ⁇ ⁇ nor to the natural frequency ⁇ ⁇ of the damped system.
  • the process-specific parameters in particular the fluid parameters density p, viscosity ⁇ and temperature T can be determined via a parameter estimation method in a downstream adjustment. While in the implementation of the method described in DE 10 2012 1 13 045.0 for
  • Parameter GG 2 are kept constant, be in the inventive solution
  • the above-mentioned process-specific parameters kept constant.
  • the sensor-specific parameters are varied until the deviation between the virtual output sequence and the real output sequence of the oscillatable unit is within a predetermined tolerance range or preferably approaches zero.
  • the oscillatable unit or the vibronic sensor must be operated in a defined medium at a constant temperature.
  • the process according to the invention is preferably preceded by the process described in DE 10 2012 1 13 045.0.
  • the model comparison according to the invention makes it possible to adapt at least two sensor-specific variables, which significantly influence the interaction between the oscillatable unit and the medium, adaptively to the real behavior of the oscillatable unit.
  • sensor-specific quantities are to be understood as meaning, in addition to the geometrical parameters already mentioned several times, variables which determine the interacting behavior of the sensor with the medium, such as the material properties of the oscillatable unit or sensors
  • the method according to the invention has the distinct advantage that an existing model, e.g. the model, which is described in detail in DE 10 2012 1 13 045.0 for two elliptical forks, can be adapted to any and a wide variety of sensor-specific variables or geometrical parameters, without having to invest effort in the rewriting of the mathematical model. While in DE 10 2012 1 13 045.0 e.g. the geometric parameters are kept constant, the geometric parameters or otherwise
  • Embodiment of the oscillatory unit - to always achieve a high degree of correspondence between any oscillatable unit and the mathematical model used.
  • the oscillatable unit is associated with a sensor or a measuring device of automation technology, which is used in particular to determine the fill level or the limit level, the density or the viscosity of the medium in the container.
  • the oscillatable unit is operated at a natural frequency.
  • the oscillation frequency of the oscillatory unit is in the vicinity of the resonance frequency of the mechanical oscillatory system. This does not have to be identical to the natural frequency.
  • the adjustment or the calibration of the oscillatable unit in the medium takes place under defined process or system-specific conditions.
  • the temperature of the calibration medium is kept constant. The same applies to the viscosity and the density of the calibration medium.
  • the sensor-specific variables determined during the adjustment or the calibration are transmitted to a memory of the sensor or of the measuring device.
  • the determined sensor-specific variables or the geometrical parameters of the previously calibrated or calibrated oscillatable unit will subsequently be used in the regular measuring operation of the measuring device or the sensor for determining the process and / or system-specific parameters.
  • a preferred method, as has to be done, is described in detail in the already cited several times DE 10 2012 1 13 045.0.
  • Model describes the relationship between the input signal and the output signal through transfer functions or transfer matrices.
  • Transfer functions are preferred: the least squares method, the generalized LS method, the RLS method, the auxiliary variable method, or the maximum likelihood method. Preferred is as
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating the method according to the invention
  • FIG. 2 is a flow chart showing the method steps of the invention
  • FIG. 2 a shows an enlarged representation of the individual method steps of the method according to the invention shown in FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a block diagram which visualizes the method according to the invention for the determination and / or monitoring of at least one sensor-specific variable, in particular of two geometric parameters.
  • the oscillatable unit is at least temporarily in contact with a medium or fluid in a container.
  • the oscillatable unit in contact with the medium or fluid is in Fig. 1 with the term
  • the oscillatable unit is excited via an analog input signal to vibrate.
  • the real output signal is determined as an output signal of the oscillatable unit and then digitized, so that a real output sequence yu (k) is generated.
  • a disturbance n (k) is taken into account, so that the real output sequence yp (k) results.
  • the real input signal is digitized; it becomes a digital one
  • Input sequence u (k) generated.
  • the digital input sequence u (k) is fed to a function block - here referred to as model - which provides at least one mathematical model of the oscillatory system in interaction with the medium, defined by a plurality of process and / or system-specific parameters.
  • the mathematical model generates a virtual output sequence ym (k). Subsequently, the virtual output sequence ym (k) is compared with the real output sequence yu (k) or yp (k).
  • Output signal ym (k) and the real output signal yu (k) or yp (k) of the oscillatory unit is within a predetermined tolerance.
  • FIG. 2 shows a flowchart which describes the program steps 1 -3 of the method according to the invention - see also the enlargement in FIG. 2 a - and the program steps 10, 20, 30, 40, 50 of the method described in DE 10 2012 1 13 045.0 Clarified procedure.

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Abstract

Zur Kalibration oder zum Abgleich einer beliebigen schwingfähigen Einheit mit einem die schwingfähige Einheit beschreibenden mathematischen Modell (Modell), wobei die schwingfähige Einheit zumindest zeitweise mit einem in einem Behälter befindlichen Medium wechselwirkt, wird Folgendes vorgeschlagen: die schwingfähige Einheit wird über ein reales Eingangssignal zu Schwingungen angeregt; das reale Ausgangssignal der schwingfähigen Einheit wird ermittelt; das reale Ausgangssignal wird digitalisiert und eine reale Ausgangsfolge (yu(k)) wird erzeugt; das reale Eingangssignal wird digitalisiert und eine digitale Eingangsfolge (u(k)) wird erzeugt; die digitale Eingangsfolge (u(k)) wird einem Funktionsblock (Modell) zugeführt, der das durch zumindest zwei sensorspezifische Größen (G1, G2) definierte mathematische Modell (Modell) der schwingfähigen Einheit in Wechselwirkung mit dem Medium zur Verfügung stellt; über das mathematische Modell (Modell) wird eine virtuelle Ausgangsfolge (ym(k)) erzeugt; die virtuelle Ausgangsfolge (ym(k)) wird mit der realen Ausgangsfolge (yu(k)) verglichen; im Falle einer Abweichung (e(k)) werden die sensorspezifischen Größen (G1, G2) des mathematischen Modells (Modell) adaptiv geändert, bis die Abweichung zwischen der virtuellen Ausgangsfolge (ym(k)) und der realen Ausgangsfolge (yu(k)) der schwingfähigen Einheit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.

Description

VERFAHREN ZUR KALIBRATION ODER ZUM ABGLEICH EINER
SCHWINGFÄHIGEN EINHEIT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibration oder zum Abgleich einer beliebigen schwingfähigen Einheit, die in der Prozessautomatisierung zum Einsatz kommt. Die schwingfähige Einheit wechselwirkt zumindest zeitweise mit einem in einem Behälter befindlichen Medium und wird insbesondere zur Ermittlung oder Überwachung von zumindest einem sensor- und/oder systemspezifischen Parameter herangezogen. Hierbei liefern die prozessspezifischen Parameter Information über die Prozessbedingungen, die in dem Prozess herrschen, in dem die schwingfähige Einheit angeordnet ist. Die sensorspezifischen Größen betreffen Einflussfaktoren, die das Verhalten der
schwingfähigen Einheit in dem Medium charakterisieren. Diese Größen sind
insbesondere geometrische Parameter und/oder sie betreffen die Materialeigenschaften und/oder die Massenverhältnisse der schwingfähigen Einheit.
Der Einsatz von vibronischen Sensoren zur Bestimmung von physikalischen Größen ist in der Automatisierungstechnik - in der Prozess- und in der
Fertigungsautomatisierungstechnik - weit verbreitet. Das schwingfähige Element eines vibronischen Sensors ist stoff- und/oder kraftschlüssig mit einer Membran verbunden und kann als beliebig geartete Schwinggabel oder als Einstab ausgestaltet sein. Die Membran und das mit der Membran verbundene schwingfähige Element, also die schwingfähige Einheit, werden über eine Sende-/Empfangseinheit zu Schwingungen angeregt. Bei der Sende-/Empfangseinheit handelt es sich üblicherweise um zumindest ein
piezoelektrisches bzw. elektromechanisches Element. Darüber hinaus sind auch sog. Membranschwinger bekannt geworden, bei denen das schwingfähige Element nur aus einer Membran besteht.
Üblicherweise wird ein vibronischer Sensor über eine analoge Elektronik zu
Schwingungen angeregt, wobei die analoge Elektronik zusammen mit der schwingfähigen Einheit den analogen Schwingkreis bilden. Entsprechende vibronische Sensoren bzw. vibronische Messgeräte werden von der Anmelderin unter den Bezeichnungen
LIQUIPHANT und SOLIPHANT in vielfältigen Ausgestaltungen angeboten und vertrieben.
Vibronische Sensoren ermöglichen es, einen prozessspezifischen Parameter, wie den Grenzstand einer Flüssigkeit oder eines Feststoffes in einem Behälter zu detektieren. Üblicherweise wird zur Detektion eines vorgegebenen Füllstands (Grenzstand) der Sensor mit der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit betrieben. Durch die Detektion der Frequenzänderung bei einer eingestellten Phase von üblicherweise 90° lässt sich erkennen, ob die schwingfähige Einheit mit dem Medium in Kontakt ist oder ob sie frei schwingt.
Darüber hinaus ist es bekannt geworden, durch die Auswertung des Schwingverhaltens von vibronischen Sensoren in einem Medium weitere prozessspezifische Parameter zu bestimmen bzw. zu überwachen. Bei diesen prozessspezifischen Parametern handelt es sich insbesondere um die Dichte und die Viskosität, aber auch um die Temperatur des Mediums. Zwecks Bestimmung der Dichte eines flüssigen Mediums wird die
Phasendifferenz (oftmals auch einfach als Phase bezeichnet) zwischen dem
Eingangssignal und dem Ausgangssignal auf 45° oder -135° eingestellt. Bei Einstellung dieser Phasendifferenz ist eine Frequenzänderung eindeutig auf eine Änderung der Dichte des Mediums zurückzuführen, da eine Beeinflussung durch die Viskosität des fluiden Mediums ausgeschlossen werden kann. In der WO 02/031471 A2 ist eine Vorrichtung zur Viskositätsmessung beschrieben. Aus der EP 2 041 529 B1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines flüssigen Mediums bekannt geworden.
Wie anhand der zuvor genannten Beispiele ersichtlich ist, hat eine analoge Elektronik den Nachteil, dass sie relativ unflexibel ist. Insbesondere muss die analoge Elektronik an jeden Sensor bzw. Sensortyp in Abhängigkeit von seinen Schwingungseigenschaften und weiterhin in Abhängigkeit von der jeweiligen Applikation - also ob der Sensor für die
Füllstands-, Dichte- oder Viskositätsmessung eingesetzt werden soll - angepasst werden. Eine Lösung, die die zuvor genannten Nachteile umgeht, ist in der nicht
vorveröffentlichten DE 10 2012 1 13 045.0, angemeldet am 21.12.2012, der Anmelderin beschrieben. Der Inhalt der DE 10 2012 1 13 045.0 ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung explizit zuzurechnen.
Das Portfolio an vibronischen Sensoren ist sehr variantenreich. Beispiele hierfür sind die Produkte der Anmelderin, die unter den Bezeichnungen LIQUIPHANT und SOLIPHANT angeboten und vertrieben werden. Es lässt sich konstatieren, dass sich die bekannten ebenso wie die zukünftigen Sensoren relativ stark bezüglich ihrer Geometrie
unterscheiden. Bei der in der DE 10 2012 1 13 045.0 vorgestellten Lösung werden - zwecks analytischer Bestimmung der Wechselwirkung zwischen der als Schwinggabel ausgestalteten schwingfähigen Einheit und dem fluiden Medium - die beiden Gabelzinken der Schwinggabel über ein mathematisches Modell angenähert. Im konkreten Fall werden die beiden Gabelzinken mathematisch als ideale elliptische Zylinder angenähert.
Um das aus der DE 10 2012 1 13 045.0 bekannt gewordene Verfahren auf schwingfähige Einheiten mit einer abweichenden Geometrie zu übertragen, ist es erforderlich, das mathematische Modell entsprechend abzuändern. Hierbei ist zu beachten, dass die mathematische Beschreibung der Wechselwirkung bzw. der Interaktion zwischen der schwingfähigen Einheit und dem Medium relativ aufwändig ist. Hinzu kommen zwei weitere Aspekte:
aufgrund der komplexen Geometrie der schwingfähigen Einheit existieren zwischen der modellhaften und der realen Beschreibung immer geringfügige
Abweichungen.
die Geometrien der schwingfähigen Einheiten eines Sensortyps, z.B.
LIQUIPHANT T oder LIQUIPHANT M stimmen üblicherweise z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht hundertprozentig überein.
Beide Aspekte wirken sich ungünstig auf die angestrebte hohe Messgenauigkeit der vibronischen Sensoren aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem sich die Messgenauigkeit eines vibronischen Sensors bzw. Messgeräts verbessern lässt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kalibration oder zum Abgleich einer beliebigen schwingfähigen Einheit mit einem die schwingfähige Einheit beschreibenden mathematischen Modell, wobei die schwingfähige Einheit zumindest zeitweise mit einem in einem Behälter befindlichen Medium wechselwirkt und zur Ermittlung oder
Überwachung von zumindest einem prozess- und/oder systemspezifischen Parameter in der Automatisierungstechnik herangezogen wird,
wobei die schwingfähige Einheit über ein reales Eingangssignal zu Schwingungen angeregt wird;
wobei das reale Ausgangssignal der schwingfähigen Einheit ermittelt wird;
wobei das reale Ausgangssignal digitalisiert und eine reale Ausgangsfolge erzeugt wird; wobei das reale Eingangssignal digitalisiert und eine digitale Eingangsfolge erzeugt wird; wobei die digitale Eingangsfolge einem Funktionsblock zugeführt wird, der das durch zumindest zwei sensorspezifische Größen definierte mathematische Modell der schwingfähigen Einheit in Wechselwirkung mit dem Medium zur Verfügung stellt;
wobei über das mathematische Modell eine virtuelle Ausgangsfolge erzeugt wird;
wobei die virtuelle Ausgangsfolge mit der realen Ausgangsfolge verglichen wird;
wobei im Falle einer Abweichung die sensorspezifischen Größen des mathematischen
Modells adaptiv geändert werden, bis die Abweichung zwischen der virtuellen
Ausgangsfolge und der realen Ausgangsfolge der schwingfähigen Einheit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
Die Differentialgleichung eines vibronischen Sensors ergibt sich - wie in der DE 10 2012 1 13 045.90 hergeleitet - als Gleichung zweiter Ordnung: υε * ω = φ + 2 * Ο * ω0 * φ + ω * φ
Mit der Eigenkreisfrequenz ω0 und dem Lehr'schen Dämpfungsmaß D ergeben sich folgende Formeln:
c(70
Wn = ■
ms + mF
ds + dF
D =■
2 * (m5 + mF) * ω0
Die durch das fluide Medium auf den Körper wirkende Gesamtkraft FF ergibt sich durch Summation der Druckkraft FD und der Reibungskraft FR. Dabei ist die Richtung der Einzelkräfte jeweils positiv zu nehmen:
FF = FD + FR
du
FF = mF ■— + dF ■ u
dt mF ist als zusätzlich ankoppelnde Masse und dF als zusätzlich wirkende Dämpfung zu interpretieren:
G1 , G2 sind Parameter, die ausschließlich von der Geometrie des schwingfähigen Körpers abhängen.
Für den Fall, dass das schwingfähige System durch zwei elliptische Gabelzinken angenähert wird, ergeben sich folgende Gleichungen:
mF = 2■ l■ b■ X■ 2 ρη . h l 1■ p■ a 2 · π
ω
dF = 2■ l■ b■ X■ ^2ωρη
Die Steifigkeit der schwingfähigen Einheit ist durch c(T) gegeben, ms ist die Masse, ds die Dämpfung der frei schwingenden schwingfähigen Einheit, D das Lehrsche
Dämpfungsmaß und ω0 die Eigenfrequenz. Die sensorspezifischen Größen, insbesondere die geometrischen Parameter, können über ein Parameterschätzverfahren bestimmt werden. Nachfolgend ist Information zur Definition der Eigenfrequenz und der Resonanzfrequenz angeführt:
Die Resonanzfrequenz ωγ ist immer die Frequenz, bei der die maximale Amplitude auftritt.
Die Eigenfrequenz ωά ist die Frequenz, mit der eine schwingfähige Einheit frei schwingt.
Im ungedämpften Fall stellt sich eine Phase von 90° zwischen Sende- und
Empfangssignal ein, wenn die schwingfähige Einheit mit der Eigenfrequenz angeregt wird. In diesem Sonderfall wird die Eigenfrequenz mit ω0 bezeichnet.
Die Eigen- und Resonanzfrequenz unterscheiden sich zudem im gedämpften Fall voneinander.
Bei vibronischen Sensoren erfolgt die Anregung immer mit der Eigenfrequenz der ungedämpft schwingenden schwingfähigen Einheit, bei welcher sich eine Phase von 90° einstellt. Die Eigenfrequenz kann mit folgender Formel ermittelt werden: Im ungedämpften - wie auch im gedämpften Fall - kann wO mit obiger Formel berechnet werden. In diesen Fällen erhält man die Frequenz, bei der sich eine Phase von 90° einstellt. Im gedämpften Fall entspricht diese jedoch weder der Resonanzfrequenz ωγ, noch der Eigenfrequenz ωά des gedämpften Systems. Diese sind wie folgt definiert, wobei c die Steifigkeit, m die Masse, ω0 die ungedämpfte Eigenfrequenz, ωά die gedämpfte Eigenfrequenz, ωγ die Resonanzfrequenz und D das Lehrsche
Dämpfungsmaß ist.
Nach Abschluss des erfindungsgemäßen, bevorzugt automatisch ablaufenden
Kalibrationsverfahrens können in einem nachgeschalteten Abgleichsverfahren die prozessspezifischen Parameter, insbesondere die Fluidparameter Dichte p, Viskosität η und Temperatur T über ein Parameterschätzverfahren ermittelt werden. Während bei der Durchführung des in der DE 10 2012 1 13 045.0 beschriebenen Verfahrens zur
Bestimmung und/oder Überwachung von Prozessparametern die sensorspezifischen
Parameter G G2 konstant gehalten werden, werden bei der erfindungsgemäßen Lösung insbesondere die o.g. prozess-spezifischen Parameter konstant gehalten. Anschließend werden erfindungsgemäß die sensorspezifischen Parameter solange variiert, bis die Abweichung zwischen der virtuellen Ausgangsfolge und der realen Ausgangsfolge der schwingfähigen Einheit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt oder bevorzugt gegen Null geht. Hierzu muss die schwingfähige Einheit bzw. der vibronische Sensor in einem definierten Medium bei einer konstanten Temperatur betrieben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt dem in der DE 10 2012 1 13 045.0 beschriebenen Verfahren vorgelagert. Der erfindungsgemäße Modellabgleich ermöglicht es, zumindest zwei sensorspezifische Größen, die die Interaktion zwischen der schwingfähigen Einheit und dem Medium maßgeblich beeinflussen, adaptiv an das reale Verhalten der schwingfähigen Einheit anzugleichen. Unter sensorspezifischen Größen sind hier neben den bereits mehrfach erwähnten geometrischen Parametern auch Größen zu verstehen, die das interagierende Verhalten des Sensors mit dem Medium bestimmen, wie die Materialeigenschaften der schwingfähigen Einheit oder die
Massenverhältnisse an der schwingfähigen Einheit.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den entscheidenden Vorteil, dass ein bestehendes Modell, z.B. das Modell, das in der DE 10 2012 1 13 045.0 im Detail für zwei elliptische Gabelzinken beschrieben ist, an beliebige und unterschiedlichste sensorspezifische Größen bzw. geometrische Parameter angepasst werden kann, ohne dass hierzu Aufwand in die Umschreibung des mathematischen Modells investiert werden muss. Während in der DE 10 2012 1 13 045.0 z.B. die geometrischen Parameter konstant gehalten werden, werden die geometrischen Parameter oder anderweitige
sensorspezifischen Größen bei der erfindungsgemäßen Lösung adaptiv solange geändert, bis das Modellverhalten und das Verhalten der realen schwingfähigen Einheit hochgenau übereinstimmen. Dieser adaptive Annäherungsprozess läuft automatisch ab. Erfindungsgemäß ist es erstmals möglich - unabhängig von der tatsächlichen
Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit -, stets eine hohe Übereinstimmung zwischen einer beliebigen schwingfähigen Einheit und dem verwendeten mathematischen Modell zu erzielen.
Wie bereits zuvor angedeutet, ist die schwingfähige Einheit einem Sensor oder einem Messgerät der Automatisierungstechnik zugeordnet, welches insbesondere dazu verwendet wird, den Füllstand bzw. den Grenzstand, die Dichte oder die Viskosität des Mediums in dem Behälter zu bestimmen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass die schwingfähige Einheit auf einer Eigenfrequenz betrieben wird. Allerdings ist es völlig ausreichend, wenn die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit in der Umgebung der Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingsystems liegt. Diese muss nicht mit der Eigenfrequenz identisch sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt der Abgleich bzw. die Kalibration der schwingfähigen Einheit im Medium unter definierten prozess- bzw. systemspezifischen Bedingungen. Insbesondere wird die Temperatur des Kalibriermediums konstant gehalten. Gleiches gilt für die Viskosität und die Dichte des Kalibriermediums. Zudem muss dafür Sorge getragen werden, dass der
mediumsberührende Teil der schwingfähigen Einheit während des Abgleichs stets bis zu einer definierten Eintauchtiefe mit dem Medium in Kontakt ist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die während des Abgleichs oder der Kalibration ermittelten sensorspezifischen Größen, insbesondere die geometrischen Parameter, in einen Speicher des Sensors bzw. des Messgeräts übertragen werden. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, werden die ermittelten sensorspezifischen Größen bzw. die geometrischen Parameter der zuvor abgeglichenen bzw. kalibrierten schwingfähigen Einheit nachfolgend im regulären Messbetrieb des Messgeräts bzw. des Sensors für die Ermittlung der prozess- und/oder systemspezifischen Parameter herangezogen werden. Ein bevorzugtes Verfahren, wie dies zu geschehen hat, ist detailliert in der bereits mehrfach zitierten DE 10 2012 1 13 045.0 beschrieben.
Sowohl zur Ermittlung der sensorspezifischen Größen bzw. der geometrischen Parameter als auch zur Ermittlung der prozess- und/oder systemspezifischen Parameter wird als mathematisches Modell, das die schwingfähige Einheit als lineares oder nicht lineares System beschreibt, eine Beschreibung der schwingfähigen Einheit in einem
Zustandsraum oder als Übertragungsfunktion verwendet. Insbesondere wird das mathematisches Modell, in dem die schwingfähige Einheit als lineares oder nicht lineares System beschrieben wird, um die zu bestimmenden Größen erweitert, um ein
Parameterschätz-verfahren zum Einsatz zu bringen. Das einsetzbare mathematische
Modell beschreibt die Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal durch Übertragungsfunktionen oder Übertragungsmatrizen. Als
Parameterschätzverfahren für mathematische Modelle in Form einer
Übertragungsfunktion sind bevorzugt zu nennen: die Methode der kleinsten Quadrate, das verallgemeinerte LS Verfahren, das RLS Verfahren, die Methode der Hilfsvariablen oder die Methode der Maximalen Wahrscheinlichkeit. Bevorzugt wird als
Parameterschätzverfahren für mathematische Modelle im Zustandsraum das Extended Kaiman Filter, der Unscented Kaiman Filter oder ein Subspace Verfahren verwendet. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : ein Blockdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren visualisiert, Fig. 2: ein Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen
Verfahrens und des in der DE 10 2012 1 13 045.0 vorgestellten Verfahrens verdeutlicht, und
Fig. 2a: eine vergrößerte Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte des in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung und oder Überwachung von zumindest einer sensorspezifischen Größe, insbesondere von zwei geometrischen Parametern, visualisiert. Zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist die schwingfähige Einheit zumindest zeitweise mit einem in einem Behälter befindlichen Medium bzw. Fluid in Kontakt. Die schwingfähige Einheit in Kontakt mit dem Medium bzw. Fluid ist in Fig. 1 mit dem Begriff
"Prozess" gekennzeichnet.
Die schwingfähige Einheit wird über ein analoges Eingangssignal zu Schwingungen angeregt. Das reale Ausgangssignal wird als Ausgangssignal der schwingfähigen Einheit ermittelt und anschließend digitalisiert, so dass eine reale Ausgangsfolge yu(k) erzeugt wird. Im gezeigten Fall wird noch eine Störgröße n(k) berücksichtigt, so dass sich die reale Ausgangsfolge yp(k) ergibt.
Parallel hierzu wird das reale Eingangssignal digitalisiert; es wird eine digitale
Eingangsfolge u(k) erzeugt. Die digitale Eingangsfolge u(k) wird einem Funktionsblock - hier mit Modell bezeichnet - zugeführt, der zumindest ein durch mehrere prozess- und/oder systemspezifische Parameter definiertes mathematisches Modell des schwingfähigen Systems in Wechselwirkung mit dem Medium zur Verfügung stellt. Über das mathematische Modell wird eine virtuelle Ausgangsfolge ym(k) erzeugt. Anschließend wird die virtuelle Ausgangsfolge ym(k) mit der realen Ausgangsfolge yu(k) bzw. yp(k) verglichen. Im Falle einer Abweichung e(k) wird zumindest einer der prozess- oder systemspezifischen Parameter - beim Verfahren der DE 10 2012 1 13 045.0 - oder der sensorspezifischen Größen - beim erfindungsgemäßen verfahren - des mathematischen Modells adaptiv geändert, bis die Abweichung e(k) zwischen dem virtuellen
Ausgangssignal ym(k) und dem realen Ausgangssignal yu(k) bzw. yp(k) der schwingfähigen Einheit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
Anschließend werden die adaptiv ermittelten Parameter G1 , G2; η, p, T bereitgestellt.
Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm, das die Programmschritte 1 -3 des erfindungs-gemäßen Verfahrens - siehe auch die Vergrößerung in Fig. 2a - und die Programmschritte 10, 20, 30, 40, 50 des in der DE 10 2012 1 13 045.0 beschriebenen Verfahrens verdeutlicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibration oder zum Abgleich einer beliebigen schwingfähigen Einheit mit einem die schwingfähige Einheit beschreibenden
mathematischen Modell wird unter dem Programmpunkt 1 gestartet. Bei Programmpunkt 2 startet die Kalibrierung bzw. der Abgleich, der Sensor wird initialisiert. Anschließend werden bei Programpunkt 3 die sensorspezifischen Größen, hier die geometrischen Parameter G1 , G2, automatisch über z.B. eines der zuvor bereits genannten
Parameterschätz-verfahren ermittelt.
Nach dem Start des Verfahrens wird bei Programmpunkt 10 entschieden, ob die Mediumseigenschaften bzw. die prozessspezifischen Parameter p, η, T direkt oder indirekt über das Parameterschätzverfahren ermittelt werden. Wird der direkte Weg gewählt, so erfolgt die Parameterschätzung der prozessspezifischen Parameter p, η, T unter dem Programmpunkt 20.
Wird der indirekte Weg gewählt, so wird unter dem Programmpunkt 30 eine
Parameterschätzung des Lehrschen Dämpfungsmaßes D und der Eigenkreisfrequenz ω0 vorgenommen. Anschließend wird bei dem Programmpunkt 40 die Berechnung der Mediumseigenschaften bzw. der prozessspezifischen Parameter p, η, T vorgenommen. Die benötigten prozessspezifischen Parameter p, η, T werden bei Programmpunkt 50 ausgegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kalibration oder zum Abgleich einer beliebigen schwingfähigen Einheit mit einem die schwingfähige Einheit beschreibenden mathematischen Modell, wobei die schwingfähige Einheit zumindest zeitweise mit einem in einem Behälter befindlichen Medium wechselwirkt und zur Ermittlung oder Überwachung von zumindest einem prozess- und/oder systemspezifischen Parameter (p, η, T) in der Automatisierungstechnik herangezogen wird,
wobei die schwingfähige Einheit über ein reales Eingangssignal zu Schwingungen angeregt wird;
wobei das reale Ausgangssignal der schwingfähigen Einheit ermittelt wird;
wobei das reale Ausgangssignal digitalisiert und eine reale Ausgangsfolge (yu(k)) erzeugt wird;
wobei das reale Eingangssignal digitalisiert und eine digitale Eingangsfolge (u(k)) erzeugt wird;
wobei die digitale Eingangsfolge (u(k)) einem Funktionsblock (Modell) zugeführt wird, der das durch zumindest zwei sensorspezifische Größen (G1 , G2) definierte mathematische Modell (Modell) der schwingfähigen Einheit in Wechselwirkung mit dem Medium zur Verfügung stellt;
wobei über das mathematische Modell (Modell) eine virtuelle Ausgangsfolge (ym(k)) erzeugt wird;
wobei die virtuelle Ausgangsfolge (ym(k)) mit der realen Ausgangsfolge (yu(k)) verglichen wird;
wobei im Falle einer Abweichung (e(k)) die sensorspezifischen Größen (G1 , G2) des mathematischen Modells (Modell) adaptiv geändert werden, bis die Abweichung zwischen der virtuellen Ausgangsfolge (ym(k)) und der realen Ausgangsfolge (yu(k)) der schwingfähigen Einheit innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die schwingfähige Einheit einem Sensor oder einem Messgerät zugeordnet ist, welches dazu verwendet wird, den Füllstand, die Dichte (p) oder die Viskosität (η) des Mediums in dem Behälter zu bestimmen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei es sich bei den sensorspezifischen Größen insbesondere um geometrische
Parameter (G1 , G2) handelt, die die Geometrie der schwingfähigen Einheit beschreiben.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
wobei die schwingfähige Einheit auf einer Eigenfrequenz betrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4,
wobei der Abgleich bzw. die Kalibration der schwingfähigen Einheit im Medium unter definierten prozess- bzw. systemspezifischen Bedingungen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
wobei während des Abgleiche oder der Kalibration die Viskosität (η) und die Dichte (p) des Mediums zumindest näherungsweise konstant gehalten werden und wobei der mediumsberührende Teil der schwingfähigen Einheit bis zu einer definierten Eintauchtiefe mit dem Medium in Kontakt ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6,
wobei die während des Abgleichs oder der Kalibration ermittelten sensorspezifischen Größen oder die geometrischen Parameter (G1 , G2) in einen Speicher des Sensors bzw. des Messgeräts übertragen werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
wobei im Messbetrieb des Sensors bzw. des Messgeräts die sensorspezifischen Größen bzw. die geometrischen Parameter (G1 , G2) der zuvor abgeglichenen bzw. kalibrierten schwingfähigen Einheit für die Ermittlung der prozess- und/oder systemspezifischen Parameter (p, η, T) herangezogen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8,
wobei zur Ermittlung der sensorspezifischen Größen bzw. der geometrischen Parameter (G1 , G2) und zur Ermittlung der prozess- und/oder systemspezifischen Parameter (p, η, T) als mathematisches Modell (Modell), das die schwingfähige Einheit als lineares oder nicht lineares System beschreibt, eine Beschreibung der schwingfähigen Einheit in einem Zustandsraum oder als Übertragungsfunktion verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei als Adaptionsalgorithmus ein Parameterschätzverfahren auf das mathematisches Modell (Modell), in dem die schwingfähige Einheit als lineares oder nicht lineares System beschrieben wird und das die Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem
Ausgangssignal durch Übertragungsfunktionen oder Übertragungsmatrizen beschreibt, eingesetzt wird, um die unbekannten Parameter zu bestimmen.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei als Parameterschätzverfahren bevorzugt die Methode der kleinsten Quadrate, das verallgemeinerte LS Verfahren, das RLS Verfahren, die Methode der Hilfsvariablen oder die Methode der Maximalen Wahrscheinlichkeit, für mathematische Modelle in Form einer Übertragungs-funktion, verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei als Parameterschätzverfahren bevorzugt das Extended Kaiman Filter, der
Unscented Kaiman Filter oder ein Subspace Verfahren, für mathematische Modelle im Zustandsraum, verwendet wird.
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